Novela Nanoescala Ultra

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Los semiconductores son componentes fundamentales de la energía moderna, la comunicación y muchas otras tecnologías. La investigación sobre la adaptación de la nanoestructura subyacente de los semiconductores para optimizar el rendimiento del dispositivo ha estado en curso durante décadas. Ahora, en un estudio publicado recientemente en Scientific Reports, investigadores de la Universidad de Tsukuba y el socio colaborador UNISOKU Co., LTD., han facilitado el desarrollo de tecnología (microscopía de túnel de barrido (STM) de resolución temporal y fácil de usar) para medir el movimiento de electrones en nanoestructuras a alta resolución temporal y espacial, de una manera que será invaluable para optimizar el rendimiento de las nanoestructuras.

El flujo de corriente a través de los semiconductores y, por tanto, su rendimiento, depende de la dinámica de los portadores de carga. Estas dinámicas pueden ser extremadamente rápidas. Por ejemplo, su dinámica puede ser más de 10 mil millones de veces más rápida que el rango de milisegundos de un abrir y cerrar de ojos. El STM de sonda de bomba óptica (OPP) es el método esencial actual de última generación para medir y obtener imágenes de dicha dinámica en semiconductores. Sin embargo, los medios actuales de medición y sistemas de formación de imágenes son demasiado complicados para los no expertos. Se necesitan técnicas especiales para la adquisición e interpretación de datos. Por lo tanto, la facilidad de operación y la facilidad de uso es lo que los investigadores buscaron abordar en este estudio.

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"OPP STM es un método esencial para medir la dinámica del portador de carga fotoinducida en nanoestructuras, pero requiere avances técnicos para satisfacer las necesidades de observación ultrarrápida", explica el profesor Hidemi Shigekawa, autor principal. "Nuestras actualizaciones de OPP STM permitieron el estudio de la dinámica de los portadores ultrarrápidos en un material semiconductor común".

Los investigadores informan técnicas particularmente notables que ayudaron a optimizar el rendimiento del sistema desarrollado. Introdujeron un mecanismo para controlar eléctricamente la oscilación del láser, así como el tiempo de retraso entre la bomba y las luces de la sonda, y construyeron un sistema óptico estable. Utilizaron este sistema fácil de usar para medir la dinámica del portador de carga ultrarrápida en superficies de arseniuro de galio. También lograron aplicar su técnica para correlacionar defectos como bordes escalonados y terrazas para cargar la dinámica del portador. Esta correlación fue posible en parte por la alta estabilidad de la imagen, lo que significa que se llevó a cabo en una posición de punto de luz estabilizada durante 16 horas.

"Nuestro trabajo será invaluable en campos como las tecnologías de comunicación óptica ultrarrápida y la fotocatálisis", dicen los investigadores. "Relacionar la nanoestructura subyacente de los materiales con las propiedades fotoeléctricas correspondientes mediante este método fácil de usar proporcionará el conocimiento fundamental que es necesario para mejorar la funcionalidad de los dispositivos semiconductores".

Este trabajo logró expandir la utilidad de OPP STM para estudiar las relaciones nanoestructura-función de materiales semiconductores como el arseniuro de galio y materiales de baja dimensión. El sencillo diseño experimental de los investigadores ayudará a los investigadores de diversos campos a mejorar el rendimiento fotoeléctrico de, por ejemplo, circuitos integrados y diodos emisores de luz para tecnologías de comunicación óptica ultrarrápida. El rendimiento de OPP STM con resolución temporal se puede mejorar aún más mediante la optimización de la longitud de onda y el ancho temporal del láser pulsado; se esperan desarrollos sustanciales.

Referencia: Iwaya K, Yokota M, Hanada H, et al. Microscopía de tunelización de barrido con sonda de bomba óptica y activación externa con una resolución de tiempo de decenas de picosegundos. Sci Rep. 2023;13(1):818. doi: 10.1038/s41598-023-27383-z

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